力学生物学.

力学生物学刘波生物医学工程系生命现象化学现象物理现象生物化学分子生物学物质运动力学规律？生物力学是应用于生物学的力学。生物力学探索的是了解生命系统的力学。绝大多数生物力学工作的目的是为了丰富生命系统的基本知识并对其进行某种人为干涉。——冯元桢世界生物力学之父“应力—生长”法则工程生物生理变化基因作用力学分析生物综合MatchinggeneactivitywithbiomechanicsandphysiologyPNAS,2002,99(5):2603Two-waystreet力学生物学（mechanobiology）是研究力学环境（刺激）对生物体健康、疾病或损伤的影响，研究生物体的力学信号感受和响应机制，阐明机体的力学过程与生物学过程如生长、重建、适应性变化和修复等之间的相互关系，从而发展有疗效的或有诊断意义的新技术。力生物学效应？stresscell压力切应力牵张力脉动频率？HemodynamicForcesActingonTheBloodVesselNormalStressCircumferentialStretchBloodflowShuChien力学生物学mechanobiology高血压、动脉粥样硬化、脑卒中、心肌梗塞、心肌肥厚、血栓形成、心功能衰竭等心血管病•高血压病1亿,70年代8～12%→现在17～22%•高血压并发脑卒中600万，新发病人150万/年,死亡100万/年•我国心血管病的防治费用1000亿高血压动脉粥样硬化、脑卒中、心肌梗塞、心肌肥厚、血栓形成、心肾功能衰竭等血管重建remodeling细胞迁移、肥大、增殖、凋亡、细胞表型、形态结构与功能的变化血管重建(vascularremodeling)是指机体在生长、发育、衰老和疾病等过程中，血管为适应体内外环境的变化而发生的形态结构和功能的改变。力学生物学研究手段Researchmethods应力加载(stressapplication)Animalmodel：自发性高血压大鼠SHR肾缺血高血压模型腹主动脉缩窄低血压模型颈动脉缩窄低剪切应力模型鼠尾悬吊低重力模型力学生物学研究手段应力加载stressapplicationCellmodel：StretchShearstress（flowchamber）PressureAnimalmodeladvantageVeryclosetorealconditiondisadvantageEffectsofnurveandbodyfluidCellmodeladvantageeasytocontroldisadvantagecellconditionchanged血管应力培养模型Organculturemodel优点closetorealconditionandtheforcecanbecontrolledaccurately缺点thesystemisverycomplexMorphologyandimaginganalyze常规生化检测（RealtimePCR、westernblotting、ELISA、proteomics…）Mechanicaldetection(hardness,elasticity,compliance)ControlForce检测手段(TestFacility)研究目的(ResearchPurpose)探讨力学条件下细胞基本功能变化Stress-inducedalternationofbasiccellularfunction探讨应力相关疾病发病机理（高血压、失重….）Themechanismofpathogenesis寻找应力相关信号蛋白潜在药物靶点Potentialdrugtargets组织工程（人工血管、骨再生….）Tissueengineering血管组织工程研究内容Theresearchofvasculartissueengineering：种子细胞的研究（血管壁细胞、干细胞）Seedcells细胞外基质替代物的研究（天然材料、人工合成材料）Extracellularmatrixreplacement组织工程血管三维培养3DcultureoftissueengineeredbloodvesselForexample力学生物学在血管组织工程研究中的运用：Applicationofmechanobiologyinvasculartissueengineering应力介导干细胞定向分化Stress-induceddifferentiationofstemcells生物材料的应力筛选Stressscreeningofbiologicalmaterials三维培养组织工程血管的力学改造Mechanicalreconstructionof3Dculturedtissueengineeredbloodvessels力学生物学新进展荧光蛋白技术在力学生物学中的应用OsamuShimomuraMartinChalfieRogerY.Tsien美国WoodsHole海洋生物学实验室哥伦比亚大学加州大学圣地亚哥分校从水母(Aequoreavictoria)体内发现的发光蛋白。分子质量为26kDa，由238个氨基酸构成，第65～67位氨基酸(Ser-Tyr-Gly)形成发光团，是主要发光的位置。当它受到蓝光照射时，会吸收蓝光的部分能量，然后发射出绿色的荧光其发光团的形成不具物种专一性，发出荧光稳定，且不需依赖任何辅因子或其他基质而发光。绿色荧光蛋白greenfluorescenceprotein(GFP)在绿色荧光蛋白基础上发展起来多种颜色荧光蛋白：绿色荧光线形虫绿色荧光蜜蜂绿色荧光小鼠绿色荧光恒河猴绿色荧光帝王蝎绿色荧光兔黄色荧光水母黄色荧光烟草绿色荧光猪克隆红色荧光猫红色荧光狗荧光热带鱼荧光蛋白在生物学研究中的应用荧光蛋白连接靶蛋白分子：远红外荧光蛋白监测肿瘤生长优缺点：可以活细胞动态观察可以显示靶蛋白在亚细胞水平的定位一定程度上可以显示靶蛋白表达量多少其荧光强弱与每个细胞的新陈代谢状态有关不能检测靶蛋白的活性原理：CFP的发射光谱与YFP的吸收光谱有相当的重叠，当它们足够接近时，用CFP的吸收波长激发，CFP的发色基团将会把能量高效率地共振转移至YFP的发色基团上，所以CFP的发射荧光将减弱或消失，主要发射将是YFP的荧光。两个发色基团之间的能量转换效率与它们之间的空间距离的6次方成反比，对空间位置的改变非常灵敏。fluorescenceresonanceenergytransfer荧光共振能量转移技术FRET作为共振能量转移供、受体对，荧光物质必须满足以下条件：受、供体的激发光波长要足够分得开；供体的发光光谱与受体的激发光谱要重叠。Annu.Rev.Biomed.Eng.2008.10:1–38FRETbiosensor设计原则FRET优势：可以活细胞内连续观察可以直接观察蛋白的活性可以针对亚细胞水平设计实验特异性高，灵敏度高FRETbiosensor扩增成本低廉FRET缺点设计制造比较麻烦，而且成功可能性未知已有的FRET探针种类太少开展FRET工作，需要FRET荧光显微镜以及比较完善的质粒库，前期投入较大FRET探针为外源性蛋白，对细胞功能的影响未知FRET如何与力学生物学结合Chachisvilis,M.,Zhang,Y.L.&Frangos,J.A.2006Gprotein-coupledreceptorssensefluidshearstressinendothelialcells.Proc.NatlAcad.Sci.USA103,15463–15468.Tzima,E.,DelPozo,M.A.,Kiosses,W.B.,Mohamed,S.A.,Li,S.,Chien,S.&Schwartz,M.A.2002ActivationofRac1byshearstressinendothelialcellsmediatesbothcytoskeletalreorganizationandeffectsongeneexpression.EMBOJ.21,6791–6800.Zaidel-Bar,R.,Kam,Z.&Geiger,B.2005Polarizeddownregulationofthepaxillin-p130CAS-Rac1pathwayinducedbyshearflow.J.CellSci.118,3997–4007.Traore,M.,Sun,R.J.,Fawzi-Grancher,S.,Dumas,D.,Qing,X.,Santus,R.,Stoltz,J.F.&Muller,S.2005Kineticsoftheendocytoticpathwayoflowdensitylipoprotein(LDL)inhumanendothelialcelllineundershearstress:aninvitroconfocalmicroscopystudy.Clin.Hemorheol.Microcirc.33,243–251.Zhang,Y.L.,Frangos,J.A.&Chachisvilis,M.2009Mechanicalstimulusaltersconformationoftype1parathyroidhormonereceptorinbonecells.Am.J.Physiol.CellPhysiol.296,C1391–C1399.平行平板流动腔Wang,Y.,Botvinick,E.L.,Zhao,Y.,Berns,M.W.,Usami,S.,Tsien,R.Y.&Chien,S.2005VisualizingthemechanicalactivationofSrc.Nature434,1040–1045.光镊Goldyn,A.M.,Rioja,B.A.,Spatz,J.P.,Ballestrem,C.&Kemkemer,R.2009Force-inducedcellpolarisationislinkedtoRhoA-drivenmicrotubule-independentfocal-adhesionsliding.J.CellSci.122,3644–3651.周期性牵帐FX-4000TFlexercellStrainUnitNa,S.&Wang,N.2008Applicationoffluorescenceresonanceenergytransferandmagnetictwistingcytometrytoquantifymechanochemicalsignalingactivitiesinalivingcell.Sci.Signal.1,p.l1.磁场+磁珠Little,W.C.,Smith,M.L.,Ebneter,U.&Vogel,V.2008Assaytomechanicallytuneandopticallyprobefibrillarfibronectinconformationsfromfullyrelaxedtobreakage.MatrixBiol.27,451–461.Klotzsch,E.,Smith,M.L.,Kubow,K.E.,Muntwyler,S.,Little,W.C.,Beyeler,F.,Gourdon,D.,Nelson,B.J.&Vogel,V.2009Fibronectinformsthemostextensiblebiologicalfibersdisplayingswitchableforce-exposedcrypticbindingsites.Proc.NatlAcad.Sci.USA106,18267–18272Meng,F.,Suchyna,T.M.&Sachs,F.2008Afluorescenceenergytransfer-basedmechanicalstresssensorforspecificproteins